王一助 曾海燕 歐勇輝 向 暉

(廣州吉盛潤滑科技有限公司 廣東廣州 510700)

空氣壓縮機(jī)是一種復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，其工作時(shí)各個(gè)子部件協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，將原動(dòng)機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成氣體的壓力能，實(shí)現(xiàn)氣體的壓縮和輸送[1]，被廣泛應(yīng)用于石油化工、機(jī)械制造等各類工礦企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)。空氣壓縮機(jī)有多種分類形式，一般有壓縮氣體方式、排氣壓力、排氣量以及壓縮介質(zhì)等。其中，按照壓縮氣體方式分類是最常用的，可分為容積式和速度式兩大類[2-3]。容積式壓縮機(jī)中，螺桿式空氣壓縮機(jī)因結(jié)構(gòu)緊湊、造價(jià)低、維修費(fèi)用低、噪聲低等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[4]。

螺桿式空氣壓縮機(jī)有單螺桿和雙螺桿之分，本文作者所研究的壓縮機(jī)用油是針對(duì)雙螺桿機(jī)而研發(fā)。雙螺桿空氣壓縮機(jī)在工作運(yùn)行時(shí)，機(jī)頭內(nèi)溫度高、轉(zhuǎn)速快，夾雜著吸入空氣中可能的水分或塵埃物質(zhì)，其工況相對(duì)一般潤滑油品來說較為復(fù)雜，對(duì)油品在潤滑、密封、冷卻、抗氧化、油水分離等性能方面也提出了更高的要求[5-7]。據(jù)文獻(xiàn)查閱，目前螺桿式空氣壓縮機(jī)用油大多存在抗氧化性能較差的問題，因而易造成積碳多、油泥多而不能滿足設(shè)計(jì)壽命需要[8-10]。

本文作者通過選用合適的基礎(chǔ)油、抗氧劑、極壓抗磨劑以及金屬緩蝕劑等功能添加劑，成功研制出一款高性價(jià)比綠色環(huán)保型螺桿式空氣壓縮機(jī)用油，適用于5 000 h換油周期，并成功應(yīng)用于螺桿空氣壓縮機(jī)實(shí)際使用中，且效果良好。

1 壓縮機(jī)油配方研究

1.1 基礎(chǔ)油的選擇

螺桿式空氣壓縮機(jī)機(jī)頭排氣溫度一般都超過80 ℃，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)頭溫度會(huì)更高，因此對(duì)其潤滑油的抗氧化性能要求也十分苛刻。壓縮機(jī)油的主要成分是基礎(chǔ)油，為保證其抗氧化、潤滑等性能的實(shí)現(xiàn)需要進(jìn)行功能添加劑的復(fù)配，但成品油抗氧化、抗老化能力的優(yōu)劣大部分取決于基礎(chǔ)油性能，因此基礎(chǔ)油的選擇至關(guān)重要[11]。目前，適用于調(diào)配螺桿式空氣壓縮機(jī)油的基礎(chǔ)油主要有深度加氫礦物油和合成基礎(chǔ)油2大類。其中，由石油原油煉制而成的二類、三類加氫礦物油資源相對(duì)豐富，綜合性能價(jià)格比較高，使用也較為普遍，但其抗氧化能力差，導(dǎo)致單純用其做壓縮機(jī)油基礎(chǔ)油時(shí)存在換油周期偏短的問題。合成基礎(chǔ)油一般有聚α烯烴(PAO)、合成酯和聚醚等，因化學(xué)結(jié)構(gòu)和成分導(dǎo)致其性能都有所區(qū)別。雖然此類基礎(chǔ)油的綜合性能均十分優(yōu)異，但成本都普遍偏高。因此，綜合考慮加氫礦物油和合成油的性能價(jià)格差異，為能充分保證壓縮機(jī)油苛刻的使用要求和成本相對(duì)較低，礦物油與合成油復(fù)配使用成為一個(gè)比較好的解決方案。

文中結(jié)合螺桿式空氣壓縮機(jī)工作運(yùn)行的具體要求，對(duì)適用于螺桿式空氣壓縮機(jī)用油的不同供應(yīng)商和不同類型的基礎(chǔ)油進(jìn)行了重要理化性能對(duì)比，在添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%相同基礎(chǔ)抗氧劑的條件下考察抗氧化性能，具體如表1和表2所示，以篩選出綜合性能較好的基礎(chǔ)油與添加劑復(fù)配全面的配方實(shí)驗(yàn)研究。

表1 各種類型基礎(chǔ)油理化指標(biāo)對(duì)比

表2 各種類型基礎(chǔ)油的抗氧化性能對(duì)比

由表1和表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，基礎(chǔ)油2和5的綜合使用性能較好，同時(shí)結(jié)合其化學(xué)結(jié)構(gòu)，比較適合用于開發(fā)壓縮機(jī)用油。因此，擬選用基礎(chǔ)油2和5進(jìn)行螺桿式空氣壓縮機(jī)用油的研發(fā)，通過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究確定其配比。

1.2 添加劑的選擇

螺桿式空氣壓縮機(jī)油主要在抗氧化、抗摩擦磨損以及油水分離等性能方面要求嚴(yán)格，這不僅決定油品本身的使用壽命，同時(shí)也影響著壓縮機(jī)機(jī)頭陰陽螺桿的摩擦磨損性能，從而決定整個(gè)壓縮機(jī)系統(tǒng)的使用壽命。因此，必須選擇合適的功能添加劑，同時(shí)還應(yīng)注意添加劑之間的配伍和協(xié)同性能，以研發(fā)出性能優(yōu)異的壓縮機(jī)用油。

如表3所示，文中主要對(duì)基礎(chǔ)油與酚類和胺類抗氧劑、金屬鈍化劑、極壓抗磨劑和增溶劑等功能添加劑的復(fù)配方面進(jìn)行配方設(shè)計(jì)，以篩選出性價(jià)比較為合適的產(chǎn)品配方。

表3 油品配方設(shè)計(jì)

1.3 油品配方的確定

實(shí)驗(yàn)對(duì)表3所示的全配方壓縮機(jī)油進(jìn)行了基本的性能指標(biāo)檢測，結(jié)果如表4所示?？梢钥闯?，設(shè)計(jì)的10個(gè)配方產(chǎn)品基本理化性能指標(biāo)相差不大，但氧化安定性差異較大。通過將合適比例的酚類抗氧劑和胺類抗氧劑進(jìn)行搭配，使其協(xié)同抑制油品高溫氧化后自由基的產(chǎn)生，同時(shí)輔以金屬鈍化劑，使得配方7、8、9和10在抗氧化和抗腐蝕性能方面更為優(yōu)異，與同類進(jìn)口品牌專用油相當(dāng)。因此下文對(duì)配方7、8、9和10進(jìn)行更加深入的極壓和抗摩擦磨損性能研究及全面考察。

表4 各配方油品的性能對(duì)比

2 壓縮機(jī)油性能評(píng)價(jià)

2.1 極壓抗磨性能考察

在MRS-10A四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上，采用GB/T 3142方法測定壓縮機(jī)用油的最大無卡咬負(fù)荷pB值，評(píng)價(jià)各壓縮機(jī)油的承載能力。在載荷(392±5)N、轉(zhuǎn)速(1 200±5)r/min條件下，進(jìn)行60 min摩擦磨損試驗(yàn)，用四球試驗(yàn)機(jī)附帶的隨機(jī)軟件計(jì)算壓縮機(jī)油的平均摩擦因數(shù)。試驗(yàn)所用鋼球?yàn)樯虾ｄ撉驈S生產(chǎn)的一級(jí) GCr15標(biāo)準(zhǔn)鋼球，直徑為12.7 mm，硬度為61～65HRC。

常見的螺桿材質(zhì)有45鋼、40Cr、氮化鋼、38CrMoAl及高溫合金等，壓縮機(jī)工作時(shí)雙螺桿一直處于反復(fù)嚙合的狀態(tài)，在潤滑油和空氣一直不斷被壓縮的過程中，由鋼-鋼組成的摩擦副主要以滑動(dòng)摩擦為主，伴隨一定的沖擊負(fù)荷；與此同時(shí)，為保證壓縮空氣的有效性，壓縮機(jī)油還必須起到良好的密封性能，這就需要在螺桿嚙合時(shí)潤滑油膜能夠保證連續(xù)穩(wěn)定地存在。因此，為使空氣壓縮機(jī)能穩(wěn)定、長期正常工作，壓縮機(jī)油必須具有一定的極壓性能和抗磨性能。四球摩擦實(shí)驗(yàn)之摩擦副也是鋼-鋼摩擦副，借用四球摩擦實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)壓縮機(jī)油的極壓潤滑性能具有一定的借鑒意義。通過平行實(shí)驗(yàn)對(duì)比不同配方產(chǎn)品潤滑性能，結(jié)果如表5所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，通過復(fù)配不同極壓抗磨劑，配方9具有更好的極壓性能和抗摩擦磨損性能，與同類進(jìn)口品牌專用油相當(dāng)。

表5 摩擦學(xué)性能對(duì)比

2.2 抗氧化性能分析

在實(shí)機(jī)工業(yè)應(yīng)用前，為保證研發(fā)產(chǎn)品的性能，還需進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)。據(jù)調(diào)研，目前還沒有十分有效的螺桿式空氣壓縮機(jī)油抗氧化、老化性能評(píng)價(jià)方法。為此，文中設(shè)計(jì)了一種氧化模擬評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)來評(píng)價(jià)研發(fā)產(chǎn)品的抗氧化、老化性能。具體實(shí)驗(yàn)方法為：將80 g油樣加入干凈的150 mL廣口玻璃瓶中；取一根長3 m、直徑1.50 mm、純度99.9%的銅絲，用100目砂紙打磨后，經(jīng)95%乙醇溶液清洗、冷風(fēng)吹干后，繞制成外徑50 mm、高40～42 mm的線圈，放入裝有油樣的玻璃瓶中；將制作好的樣品放入烘箱中在200 ℃下氧化實(shí)驗(yàn)48 h，其中在實(shí)驗(yàn)開始后第12 h和第24 h向油樣連續(xù)泵送空氣6 h；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后待樣品恢復(fù)常溫后檢測黏度變化、總流失量和顏色變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。另外，選擇某進(jìn)口品牌專用油與研發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比。從測試結(jié)果來看，研發(fā)產(chǎn)品配方9抗氧化性能與參比樣相當(dāng)，也驗(yàn)證了配方抗氧體系構(gòu)建的穩(wěn)定性。

表6 模擬氧化測試結(jié)果

3 應(yīng)用

為考察研發(fā)產(chǎn)品實(shí)機(jī)使用性能，在推薦換油周期為4 000～6 000 h的螺桿式空氣壓縮機(jī)進(jìn)行工程實(shí)機(jī)應(yīng)用。同時(shí)，為了驗(yàn)證產(chǎn)品是否具有多區(qū)域市場推廣價(jià)值，在多省份開展實(shí)機(jī)應(yīng)用測試。

研發(fā)產(chǎn)品通過陜西、安徽和廣東等地多家螺桿式空氣壓縮機(jī)維修服務(wù)商進(jìn)行了為期近2年的實(shí)機(jī)工業(yè)應(yīng)用，試驗(yàn)結(jié)果表明，在實(shí)機(jī)使用過程中產(chǎn)品性能表現(xiàn)穩(wěn)定，在出口排氣溫度和換油時(shí)間方面(實(shí)現(xiàn)5 000 h換油周期)可以達(dá)到同類進(jìn)口品牌專用油的產(chǎn)品指標(biāo)，同時(shí)可降低約40%的產(chǎn)品購買成本。可見，研發(fā)產(chǎn)品在滿足國內(nèi)市場使用要求的同時(shí)，還可以有效降低企業(yè)的使用成本，提高企業(yè)綜合市場競爭力。

4 結(jié)論

以一定比例的礦物油與合成油復(fù)配作為基礎(chǔ)油，通過搭配合適的酚類抗氧劑、胺類抗氧劑、金屬緩蝕劑、極壓抗磨劑等功能添加劑，研發(fā)出一款抗氧化體系穩(wěn)定和極壓抗磨性能優(yōu)異的螺桿式空氣壓縮機(jī)油。通過極壓抗磨性能、抗氧化性能考察，其達(dá)到同類進(jìn)口品牌專用油性能標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)機(jī)應(yīng)用結(jié)果表明，研發(fā)產(chǎn)品性能表現(xiàn)穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)5 000 h長換油周期，且成本相比同類進(jìn)口專用油可降低約40%。